平中见奇 以小见大

来源 :中国数学教育(初中版) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hello199228
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  摘  要:以“能将矩形的周长和面积同时加倍吗?”一课为例,对正方形、正多边形、圆、矩形的“倍增”问题进行了层层深入的探究,进而深度思考综合与实践教学中生活与数学的关联性,通过挖掘其蕴含的规律和学科育人价值,阐述综合与实践活动对提升学生的数学学科核心素养的作用.
  关键词:综合与实践;育人价值;提升素养
  在数学教材中引入综合与实践活动,既是为了体现课程标准的要求,强化应用数学的意识,培养学生的综合实践能力和创新意识,也是为了锻炼学生综合运用所学知识的能力,从而提升学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力. 数学教学的目标不仅是让学生巩固“四基”,更重要的是培养学生的数学学科核心素养,发挥数学学科的育人功能. 基于此,上好综合与实践活动课,需要多方联系,使得数学与自然、数学与活动,相得益彰、相辅相成.
  笔者在执教鲁教版《义务教育教科书·数学》(五·四学制)九年级上册第一章“反比例函数”综合与实践“能将矩形的周长和面积同时加倍吗?”一课时,发现这个课题巧妙地将代数知识和几何知识融为一体,实现了用代数方法解决几何问题的目的;同时在解决问题的过程中对培养学生学会研究数学问题的基本思路、渗透数学思想方法、锻炼学生的数学思维能力都有着非常积极的作用. 在此,笔者围绕本课例的教学过程阐述对综合与实践活动课的认识与思考.
  一、教学内容说明
  “能将矩形的周长和面积同时加倍吗?”一课是在学生具备了代数知识(一元二次方程、二元一次方程组、分式方程、反比例函数)和几何知识(矩形、正方形、正多边形、圆、相似等)的基础上,结合生活中的实际问题展开研究的,在研究过程中遵循由简单到复杂、由特殊到一般的方式,即从正方形到矩形再推广到正多边形和圆. 在解决问题的过程中,教师充分调动学生的知识储备,打通各知识点之间的联系. 既能实现代数知识之间的转化,即把方程组、分式方程、函数转化为一元二次方程来解决,也能把二元一次方程组变形为反比例函数与一次函数,借助画草图观察函数图象,由交点判断解的情况,渗透数形结合思想,又能把几何知识代数化,由相似多边形的性质(周长的比等于相似比,面积的比等于相似比的平方),转化为方程来达到解决问题的目的. 解决问题的过程是数学知识高度抽象的过程,是直观想象的过程,是逻辑推理的过程,是数学运算的过程. 通过建立方程和函数模型,达到由特殊到一般、由一般到特殊、化繁为简的效果,体现了数学学科的抽象性、数学思维的严谨性和数学应用的广泛性.
  二、教学过程设计
  1. 常规积累,温故知新
  (1)正方形的边长为a,它的周长是多少?面积是多少?长方形的长为m,宽为n,它的周长是多少?面积是多少?
  (2)已知边长为1的正方形,是否存在另一个正方形,它的周长和面积分别是已知正方形周长和面积的2倍?
  【说明】通过第(1)题复习正方形、长方形的周长和面积公式,激活学生的思维. 第(2)题由边长为1的正方形开始研究,解决问题的过程会自然联想到以下问题:周长为原来2倍时该正方形的面积增加了多少?面积为原来2倍时,该正方形的周长又是怎样变化的?是否存在一个正方形,使其周长和面积同时是原正方形的2倍?由此,在解决问题的过程中不断发现规律,提出新的问题,得到结论,从而激活学生的思维,激发学生思考的兴趣和探究的热情.
  2. 新知探究,总结规律
  活动1:正方形“倍增”问题.
  某公园栈道、古亭、小山风景如画,美不胜收. 春天到了,游人越来越多,停车场渐渐不够用了. 景区要把边长为10米的正方形停车场扩建成周长和面积同时是原来2倍的正方形停车场,你能利用所学知识,帮助工作人员实现这种设计方案吗?为什么?试在表1中呈现你的思路.
  【说明】以学生熟悉的情境引入,激发学生爱家乡、建设家乡的热情,培养学生浓厚的学习兴趣,引起学生探究问题和解决问题的欲望. 尝试从“定周长”和“定面积”两个角度研究,为后面研究矩形的方法迁移做好铺垫.
  追问:对于任意正方形,是否存在另一个正方形,它的周长和面积同时是已知正方形的2倍?n倍呢?为什么?试在表2中呈现你的思路.
  结论:对于任意正方形,都不存在周长和面积同时倍增的情况.
  【说明】通过追问,进一步引导学生考虑任意正方形的周长和面积多倍增加的情况. 学生经历用字母表示边长并推理的过程,体会从特殊到一般的研究过程. 通过研究任意正方形周长和面积加倍的过程,发现若加倍前后两个正方形的相似比为k,则周长和面积同时加倍可以用方程k2 = k表示,解得k = 0或者k = 1. 显然,当k = 0时,不存在周长和面积同时加倍的正方形;当k = 1时,两个正方形全等. 通过及时总结、提炼出研究问题的方法,使得后面的拓展研究有“法”可依.
  活動2:枚举.
  思考1:除了正方形,还有哪些图形也具有“不存在同时加倍”这种特点?试举例说明,并思考原因.
  结论:对于任意变化前后相似的平面图形,都不存在周长和面积同时倍增的情况.
  【说明】首先,由正方形联想到正多边形和圆,把从正方形中得出的结论进行推广,体验发现的乐趣和获得新结论的惊喜,感受举一反三、化多为一的魅力. 其次,进一步反思:怎样才能够存在“周长和面积同时加倍”的图形?进而想到减弱对正方形的限制条件,另辟蹊径,联想到矩形可能存在“倍增”的情况.
  活动3:矩形“倍增”问题.
  如果将长20米、宽10米的矩形停车场,扩建成周长和面积同时是原来2倍的矩形停车场,你认为能否实现?类比前面的方法进行研究,尽可能多地想出探究解决的方法,完成后小组交流,并填写表3.
  学生先独立完成,然后小组合作研究. 学生根据周长和面积公式发散思维,总结了如下四种解决问题的方法.   方法1:设扩建后矩形的长为x米,则宽为[60-x]米,由面积公式列出一元二次方程[x60-x=400.] 化为一般形式,即[x2-][60x+400=0.] 由[Δ>0,] 可知存在周长和面积同时为已知矩形2倍的矩形.
  方法2:設扩建后的矩形的长为x米,宽为y米,列方程组得[x+y=60,xy=400.] 消元后转化为一元二次方程[x2-][60x+400=0.] 以下略.
  方法3:设扩建后的矩形的长为x米,宽为[400x]米,由周长公式列出分式方程[x+400x=60.] 去分母后化为整式方程[x2-][60x+400=0.] 以下略.
  方法2和方法3都可以转化为方法1得解.
  方法4:把方法2中的两个二元一次方程变形为一次函数[y=60-x]和反比例函数[y=400x,] 画出函数图象,观察交点情况,判断解的存在性.
  【说明】通过让学生类比正方形的研究方法和思路探究矩形的周长和面积“倍增”问题,体会用代数方法研究几何问题的一般思路. 在学生独立思考、小组交流的基础上,教师引导学生对得出的四种方法进行对比,发现方程组、分式方程、函数都可以转化为一元二次方程求解,图象法可直观判断存在性但数值有误差,准确性不足,因此,从中选出最优方法是列一元二次方程. 让学生在经历知识的形成过程中,体会建模、数形结合等数学思想方法在解决实际问题中的作用,提升学生的数学建模能力和直观想象能力.
  思考2:对于任意矩形,是否存在另一个矩形,它的周长和面积同时是已知矩形的2倍?为什么?填写表4.
  当已知矩形长为m,宽为n时,设所求矩形的长为[x,] 那么它的宽为[2m+n-x.] 根据题意,可得[x2m+n-x=2mn,] 即[x2-2m+nx+][2mn=0. ]因为[Δ>0,] 可得[x1+x2=2m+n,x1x2=2mn,] 所以这个方程有正数解,说明这样的矩形存在. 解方程得[x1=][m+n+m2+n2],[x2=m+n-m2+n2].
  【说明】用优选出的列一元二次方程的方法,通过求解方程解释一般矩形的周长和面积同时“倍增”问题的存在性,让学生经历从特殊到一般的探究过程. 问题的设计层层递进,在步步深入的推进中,引导学生明确“存在性”问题的实质即是对“方程是否有解”的讨论. 这种用运算结果验证几何问题的“存在性”的方法,帮助学生建立了数学模型,有利于今后广泛推广使用.
  3. 延伸思考,提出问题
  问题1:正方形是特殊的矩形,为什么矩形能“倍增”而正方形不能呢?
  问题2:类比本节课所学内容,你觉得矩形的周长和面积还可以怎样“倍增”或者“倍减”?
  【说明】该环节意在激发学生不断思考,深入探究本节课的研究内容. 正方形是特殊的矩形,即满足思考2中[m=n]的情况,方程显然有解,但解为[x1=2+2m,] [x2=2-2m,] 说明把正方形的周长和面积同时倍增2倍后得到的图形是矩形. 而矩形的周长和面积虽然可以“倍增”,但“倍增”前后的矩形与原矩形不具有相似的特点. 问题2意在引导学生类比、猜想研究将矩形的周长和面积“倍增”为n倍或者“倍减”为已知矩形的[1n]的情况,引导学生不断发现和提出新问题,这不仅可以巩固研究方法,深入理解解决问题的基本思路,而且能培养学生的质疑能力和批判精神.
  4. 课堂小结,归纳提升
  通过本节课的学习,你学到了哪些数学知识?用到了哪些数学思想方法?
  【说明】反思使人进步. 教师引导学生反思解决问题的基本思路是发现问题、猜想结论、验证结论、形成规律、应用规律、拓展研究;用到的数学思想有数形结合思想、方程思想、函数思想、转化思想;用到的学习方法有类比、分类、从特殊到一般. 课堂小结有利于学生养成及时反思的习惯,同时不断渗透数学思想方法,提高学生的学习能力.
  5. 布置作业,课后拓展
  (1)解决课堂中提出的问题:拓展研究“倍增”或者“倍减”矩形的周长和面积.
  (2)实践活动:运用本节课学到的方法,帮助家长至少解决一个实际问题.
  【说明】一方面,要求学生在课后解决本节课还没有解决好的问题和困惑;另一方面,引导学生关注生活、关心民生,主动用数学知识帮助家长解决实际问题. 把本节课的研究方法延伸到课堂之外、生活之中,内化于心,真正实现数学的育人价值.
  三、对综合与实践课程的感悟与思考
  1. 综合与实践课程体现了数学与生活的关联性
  源于实践,曲径通幽. 综合与实践课程的产生源于现实生活的需要,现实生活中的许多问题都可以用数学知识和方法来解决. 例如,本节课虽然是简单的周长和面积“倍增”问题,但是需要学生具备一定的阅读理解能力,能读懂题意,然后把生活问题转化为数学问题,建立数学模型,利用数学知识来解决问题. 这就要求教师把生活与数学融通起来,善于到生活中寻找情境,发现能够用数学知识来解决的现实问题,丰富综合与实践课程的题材. 本节课以学生身边的公园停车场的设计为问题情境,解决现实生活中存在的问题. 要解决问题首先需要关注到问题的细节,改造停车场,可以改造为同种图形,也可以考虑改造为不同的图形. 首先,仔细阅读领会文本的内容,分类转化为数学问题;其次,借助数学思想方法来解决问题,从而发挥数学为现实生活服务的功能,体现“数学来源于生活,又服务于生活”的宗旨.
  2. 综合与实践课程涉及的内容具有综合性
  纵横联系,浑然一体. 综合与实践课程的内容既然来源于生活中的实际问题,在解决问题的过程中,我们必然要用到多方面的数学知识. 例如,纵向来看,本节课用到了列方程(组)解应用题、反比例函数、图象法等;横向来看,要从“定周长”和“定面积”两个角度来进行探究;整体上看,运用数形结合思想突破难点. 其中既用到了几何中的相似知识,又用到了代数中的方程与函数模型,体现了代数与几何的融会贯通,及用代数方法解决几何问题的常规思路.
  3. 综合与实践课程的活动中探究和思考的方法具有规律性
  异中找同,归纳类比. 综合与实践课程的设计应遵循学生的认知规律,由易到难,由特殊到一般. 本节课中,首先研究的是最基础的正方形或者矩形,遵循由少到多、由数字到字母的顺序有序推进研究. 研究思路从特殊的图形到一般的图形,既通过计算验证了矩形周长和面积“倍增”成立,也通过推理验证了所有具有同类特征的图形都具有相同的性质,进而为后续的规律探索奠定了坚实的基础,这是在教师的引导下对科学规律的再发现与再创造.
  4. 综合与实践课程具有数学育人价值
  品之有味,平中见奇. 综合与实践活动课的开展,不仅让学生掌握了基础知识和基本技能,积累了基本活动经验,锻炼运用基本数学思想方法的能力,很好地落实了“四基”,更重要的是有效引导学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题,提高了学生的“四能”,落实立德树人的根本任务,发展素质教育的功能,提升学生的数学素养. 本节课锻炼了学生的直观想象能力,体现了会用数学眼光观察世界;锻炼了学生的数学运算能力和逻辑推理能力,体现了会用数学思维思考世界;锻炼了学生的数学建模能力,体现了会用数学语言表达世界.
  总之,综合与实践课程的研究对促进学生数学思维、实践能力和创新意识的发展,发挥数学学科的育人功能,促进学生人生观、价值观、世界观的形成起到了积极的作用.
  参考文献:
  [1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中数学课程标准(2017年版)[M]. 北京:人民教育出版社,2018.
  [2]中华人民共和国教育部制定. 义务教育数学课程标准(2011年版)[M]. 北京:北京师范大学出版社,2012.
  [3]郭玉峰,黄彩英. 数学基本活动经验课程目标落实需关注的问题[J]. 中国数学教育(初中版),2020(11):3-7,20..
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